超寬帶系統的脈位調制技術研究

萬偉

（武警工程學院研究生37隊，陜西西安710086）

超寬帶（UWB，Ultra-Wideband）無線技術又稱為脈沖無線電（Impulse radio），出現于20世紀60年代。UWB不需要使用載波，而是依靠持續的、時間非常短的基帶脈沖信號傳輸數據，因而占用的頻帶非常寬，通常在GHz數量級。由于UWB脈沖極短，直達波與多徑反射、折射波，在時間上不易重疊，因此，其時間分辨率強，適合于多徑分量豐富的室內無線信道傳輸；UWB脈沖低頻分量豐富，使其易于穿透墻壁傳輸數據[1]；UWB信號的頻帶寬度遠遠大于信號的相關帶寬，所以任何深度衰落只能影響頻帶的很小部分；UWB系統是用偽隨機碼來區分不同用戶的。

1 UWB技術概述

UWB技術是指具有較大相對帶寬的無線通信技術。目前研究UWB實質上是以占空比很低（低達0.5%）的沖擊脈沖作為信息載體的無載波擴頻技術。通常所說的超寬帶是指信號的-10 dB帶寬的絕對值大于500 MHz或者是分數帶寬（分數帶寬是指絕對帶寬與中心頻率之比）大于20%，并且對UWB系統的功率譜密度也有嚴格的要求。

UWB規定通信頻率為3.1～10.6 GHz，單脈沖寬度0.2～1.5 ns，發射功率為每MHz小于41.3 dBm，多徑衰落小于5 dB，因此不管是從頻域還是時域，UWB都與傳統的無線信號有很大的區別，所以工作原理也就有差異。

1.1 UWB調制原理

UWB信號在發射前，首先要經過一個重復編碼器產生一定重復周期的脈沖序列，用戶要傳遞的信息和用戶地址的偽隨機碼分別或者合成后用低密度奇偶校驗（LDPC），或者二進制PN碼序列對重復的周期脈沖序列進行編碼，然后對編碼后的信號進行調制，最后將調制后的信號放大到所需功率通過UWB系統的天線發射出去。調制一般有單脈沖和多脈沖調制兩種。單脈沖調制有脈幅調制（PAM），脈位調制（PPM），通斷鍵控（OOK），二相調制（BPM）以及跳時/直擴二進制相移鍵控調制TH/DS-BPSK等。PAM、OOK、PPM都可以通過非相干解調恢復原始信息，但脈沖信號會出現單頻率，難以滿足UWB系統要求。對于功率譜密度受限和功率受限的UWB系統，BPM是一種很好的調制技術，因為二相調制不會出現單一頻率，避免線譜現象。多脈沖調制是為了降低單個脈沖的幅度或提高抗干擾性能，它的調制分為兩步：第一步對每組脈沖內部的單個脈沖采取調制。第二步每組脈沖作為整體調制，可用的調制技術有直接序列擴頻（DS-SS），跳時擴頻（TH-SS）。兩步結合起來就形成了多脈沖調制的調制方式：TH-SS PPM、DS-SS PPM、TH-SS PAM、DS-SS PAM、THSS BPM和DS-SS BPM等。

1.2 UWB 的優點

與其他無線系統相同，超寬帶有以下特點[2]：

1）隱蔽性好，截獲概率低。超寬帶信號的頻頻極寬，功率譜密度極低，可隱藏在環境噪聲和其他信號中，難以被非法目標接收機檢測和截獲。

2）高數據傳輸速率。超寬帶能夠達到幾百甚至是幾千兆比特每秒的速率，適合高速數據傳輸系統的要求。

3）穿透能力強。超寬帶的頻率從接近直流的低頻到幾GHz的高頻，而低頻成分具有較強的障礙物穿透能力。

4）多徑分辨率好，抗干擾能力強。最常用的UWB信號形式是脈寬極窄、占空比很低的脈沖序列，不同路徑的信號時延大于信號脈寬時，就很容易運用方法分離出來，進行分集就收，減小多徑干擾的影響[3]。

2 UWB的無載波調制技術分析

2.1 脈位調制

二進制PPM是用正常位置的脈沖代表0，滯后一個時間偏移量的脈沖代表1，也可以設置多個不同的時間偏移量以進行多進制PPM調制。由于高斯信號隨著階數的提高，它的過零點會增加，而且信號的中心頻率逐漸向高頻擴展，滿足UWB的成型脈沖，因此本文將用高斯二階導數的脈沖作為發送脈沖[4]。信號經調制后的TH-PPM信號的數學模型表達式是：

u表示S（u，t）是隨機過程。Tf為幀長，W（t-iTf）是周期為Tf的脈沖信號。Ci（u）是跳時序列，由偽隨機序列控制產生，以區別不同的用戶，Ci（u）{0，1，2，…，Nh-1}。Tc是時隙寬度。D[i/Ns]（u）∈{0，1}，等于0說明第i個脈沖位置不變，等于1說明第i個脈沖后移θ。在此式中，要求NhTc＜Tf。

信號在空間傳播時，會產生一定的時延。假設在加性高斯白噪聲信道（AWGN）傳輸，則在接收端會疊加一個高斯白噪聲信號，接收端天線接收的信號模型表達式是：

τ表示隨機時延。n（t）表示疊加的高斯白噪聲。

2.2 脈沖信號波形

產生脈沖極窄的沖激脈沖序列的方法有方波脈沖、高斯脈沖、Hermite脈沖和正交橢球波函數。將用高斯脈沖的二階導數產生UWB信號。高斯脈沖的信號表達式是[5]：

通過函數圖像可以看到隨著階數的提高，原點兩端的脈寬越來越窄，可以作為成型脈沖。

2.3 脈位解調

TH-PPM的接受方式有RAKE接收機法、自相關法和多用戶檢測法，其中RAKE接收法和多用戶檢測都需要信道估計[6]。RAKR接收法是利用一組統計獨立分布的時變抽頭或者是一組匹配濾波器來進行分集接收，以減少噪聲的影響，提高信噪比。自相關法將接收到的信號與本地參考信號進行相干運算，然后通過門限判決恢復出數據，方法比較簡單。多用戶檢測只接收落在觀察窗內的可分離的多徑成份，能更好地抑制碼間干擾。自相關解調的框圖如圖1所示。

圖1 TH-PPM解調框圖Fig.1 TH-PPM demodulation diagram

3 MATLAB仿真結果與分析

通過MATLAB仿真，首先建立4個子函數：產生高斯脈沖波形的函數，產生幀信號函數，產生偽隨機序列的函數和產生高斯加性白噪聲信號的函數。產生TH-PPM信號需要前3個函數，而產生接收信號需要4個函數。仿真時的參數是：Tc=0.5 ns，Tf=5 ns，Nh=6，Ns=10，圖2和圖3為跳時碼周期Np=20和Np=80時的功率譜密度。

圖2 Np=20時信號功率譜密度Fig.2 Power spectral density of signal when Npis 20

圖3 Np=80時信號功率譜密度密度Fig.3 Power spectral density of signal when Npis 80

由圖2和圖3可以得出，當Np逐漸增大時，信號的功率譜密度越來越平滑，說明信號質量越來越好。

4 結論

介紹了超寬帶的一些技術特點和調制與解調原理的理論，通過軟件的仿真形象的產生了TH-PPM信號，并研究了影響超寬帶信號質量的因素之一，很直觀的通過圖形可以得出結論。下一步將通過軟件仿真的方法繼續研究影響超寬帶信號BER和信噪比的因素，可以嘗試用simulink的數字信號處理模塊來仿真得出結論。

[1]王曉宇，王立東，吳慶宏，等.直接序列擴頻超寬帶信號分析[J].鞍山科技大學學報，2006，29（1）：34-37.

WANG Xiao-yu，WANG Li-dong，WU Qing-hong，et al.DSUWB signal analysis[J].Journal of Anshan University of Science and Technology，2006，29（1）：34-37.

[2]李仲令.現代無線與移動通信技術[M].北京：科學出版社，2006：213.

[3]Benford J，Swegle J A.High power microwaves[M].second edition.National Defense Industry Press，2009:183-184.

[4]佘莎.超寬帶無線通信調制技術的研究[EB/OL].（2007-03-29）.http://www.paper.edu.cn/index.php/default/releasepaper/content/200703-549.

[5]袁東風，張海霞.編碼調制技術原理及應用[M].北京：清華大學出版社，2006:50-57.

[6]（美）帕勒萬，（美）克瑞森那莫斯.無線網絡通信原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2002:60-66.